上海海运学院物流工程学院,上海200135)
要
在新能源与电力电子技术飞速发展的今天,绿色交通工具已成国内外研究的热点,船舶电力推进系统将是其中
,探讨集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题,并试图从系统结构、变流模式、控制方法
新能源;电力电子;电力传动控制;船舶;推进系统
:U66513 文献标识码:A
With the fast development of new energy and power electronics , the“green vehicles”have been paid more
new energy ; power elect ronics ; elect ric drive cont rol ; ships ; propulsion systems
引 言
,以热机(如:柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等) 为
,在船舶动力装置中占据了主导地位。
,一方面船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等难以解决的问题;另一
,内燃机将逐步退出历史舞台,人们必须在石油没有用完的约60 年时间
21 世纪所面临的巨大问题和挑战之一,因此,人们一
,国内外在新能源开发和利用方面,将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程
,并取得了重要的成果。例如:美国和加拿大等国家在燃料电池的化学反应
;法国、日本等国家正在开展燃料电池、太阳能应用
,特别是在以燃料电池为动力装置的电力推进船舶研制方
,利用新能源作为动力系统需要解决的关键问题是电能的转换,即通过电力变换装置使发电设
,在品质上满足用户的需求。如何采用电力电
随着电力电子器件、变流技术、传
,船舶电力推进系统正在经历着巨大变革
。但是,长期形成的学科体系和行业的条块分割,成为制约新能源与电力推进系统广泛应用和发展
,特别需要通过学科交叉研究和开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变
,通过系统集成形成产品,以方便用户。而且,由于船舶系统的专业性和特殊性,这一大功率电力传
,致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差
新能源发电方式
,基本上可以分为可再生能源和不可再生能源两大类[2 ] ,可再生能源的利用
其研究热点主要集中在风力发电、太阳能电池和燃料
.1风力发电
,我国是风能开发和利用较早的国家之一,早在3000 多年前就
,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重
1973 年世界石油危机以来,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。目前,风力发电
,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行
:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证
;二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电) 相结合的联合供电方式,向交通不便的
;三是并网型风力发电运行方式,安装在有电网且
,常常是一处风场安装几
十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主
.2太阳能电池
50 年代第一块实用的硅太阳电池研制成功,太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。
,它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)
目前,单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3 %～15 % ,多晶硅太阳电池组件的
12 %～14 %。未来的研究趋势表现为两方面:一方面,研究新的光电技术,比如有机纳米
;另一方面研究晶体硅薄膜太阳电池,开发大功率太阳能模块,这些模块由单晶硅制成,再罐
10 %
,太阳能光电技术应用系统方面,在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电
,现在正在迈向较大规模的商业应用。一方面,兆瓦级
,在已建成的兆瓦级电站中,最大的已达到6. 5 MW;另一方面,近年来许多国家的政
,同时为了降低造价省去储能
(蓄电池) ,与大电网相联,互相补充电能。
.3燃料电池
1839 年,英国人W. Grove 就提出了氢和氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢2氧燃料电
(FC) 。近年来,由于一次性能源的匮乏和环境保护的需要,要求开发利用新的清洁可再生能源。由于
对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。燃料电池是一种将
,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料
,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC) 、磷酸型燃料电
(PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 及质子交换膜燃料电池
等[3 ] 。燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,且具有洁净、无污染、低噪声、模
,因此,被称为是继水力、火力、
,将在国防和民用的电力、汽车、通信等领域发挥
新能源与电力变换装置的系统集成
.1风力发电系统集成方案
,其发电机输出的电压幅值和频率是变化的,因此需要配
,通过功率变换器的换流控制,使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与
:直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1 给出了
,用于调速风力机的功率变换器要求能够四象限运行,因此可以选择交—直—交间接变频或
,可采用晶闸管整流与晶闸管逆变的交—直
,或采用PWM 整流与PWM 逆变的双PWM 变频器。在交—交变频方式中,可采用循
,或采用矩阵式变频器(MC) 。由于晶闸管六拍变频器和循环变频器都属于相控变流控制方式,
,对电网和发电机均会造成电力污染和不良影响。MC由于换
,目前正处于研究发展之中。PWM 变频器技术比较成熟,并作为变频电源大量应用于交
但对于大容量的风力发电机,则不能直接采用IGBT 等开关器件的PWM 变频器作为电力
,可以采用绕线转子异步发电机,通过转子馈电方式调节发电机的定子输出
电压
其控制思想与文献[ 5 ]相似。
太阳能供电系统集成方案
,将太阳能转变成电能,再由功率变换器将
,功率变换器可以选择直流斩波器
DC/ DC 变换,或采用逆变器进行DC/ AC 变换。此外,功率变换装置还应包括蓄电池系统,以平衡
,由太阳电池供电,同时向蓄电池充电;当夜晚或阳光稀少时,由蓄电池供电。
2 所示。
.3燃料电池供电系统集成方案
3 所示,系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置,使
,由于燃料电池的输出特性较软,即使是向直流负载
,也需要设置DC/ DC 变换环节,由直流斩波器或开关电源输出直流电,而不能由燃料电池直接供
这样,在电能变换方面,燃料电池发电系统与太阳能供电系统具有相似的变流电路结构,即对于直流
,可采用DC/ DC 变换器,对于交流负载,可采用DC/ AC 变换器。
.4电力电子变流技术的关键
,新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换,其基本电路结构都可分为以下4 个
电源部分。它的作用是为控制器提供电源。控制器往往需要±5 V 或+ 12 V 控制电源,因此需
DC/ DC 或AC/ DC 变换装置,得到所需的直流电压。
主电路及其驱动电路。作为主电路的开关元件为功率电子器件,它们构成了DC/ DC 或DC/AC
,驱动电路的设计与制作应与功率电子开关器件的门极驱动电路相适应。
控制电路。控制电路已经历了从模拟电路、集成电路到专用集成模块的发展,计算机技术也从
DSP 技术。
保护电路。出于对系统安全运行的考虑,需要设置诸如过电流、过电压、过负荷、过低负荷、
,要根据所选用的控制器件、控制电路因地制
,就涉及到电子技术、电力电子技术、自动控制技术和计算机
,电源技术的发展方向是高电流密度、高转换效率、高
[6 ] 。为此,一些新技术不断发展和融合,以进一步完善电
:
:是解决高频开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段。目前,软开关技术已经
DC/ DC 变换和AC/ DC 变换中得到应用,比如:谐振变换器(Resonant converters) 、准谐振变换器
、多谐振变换器(Multi-resonant converters) 、零开关PWM 变换器( Zero
和零转换PWM 变换器(Zero transition PWM converters) 等[7 ] ,由于新
DC/ DC 变换和AC/ DC变换两种方式,因此,软开关技术的应用显得
( PFC) 技术:是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来, PFC 技术已
,首先在单相PFC 电路方面取得成果,现已从电路拓扑、控制策略发展到
, 比如: 可用于Buck 、Boost 、Buck2boost 、Cuk 等DC/ DC 基本变换电路的专用或通
PFC控制器[8 ] 。目前的研究重点在三相PFC 控制技术上,比如:单开关、多开关以及软开关三相
电路的研制。而软开关技术与PFC 技术的融合是发展的新趋势。
(PMS) 技术:是提高电源效率和
系统可靠性的新方法。PMS 将智能控制和管理的
,从发电、配电及用电等各个层次,对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护
:电能分配;优化控制;状态监测;故障诊断;容错控制。实现上述功能的核心技术如
:计算机技术,如数据库、网络通信、现场总线等;自动控制技术,如过程监控、最优化算法、容错控
;人工智能,如模式识别、专家系统、模糊逻辑、
,包括各种技术自身内部的融合,以及各种技术
,技术融合是新能源电力系统未来发展的关键和必然趋势。
船舶电力推进系统应用
.1系统结构
(FPP) 驱动模式,或采用定速电动机拖动变
(CPP) 驱动模式,并根据船舶驱动所需的功率可选择1 台电动机单独拖动或多台电动机联合
,又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。如图4 所
, (a) 为单桨双机串联驱动模式; (b) 为单桨双机并联驱动模式; (c) 为双桨双机串联驱动模式; (d)
调速方法
,由于电力电子变流器的广泛应用,船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动FPP 的驱
5 所示,常用的船舶电力推进系统的调速方法有4 种[9 ] :
(1) 图中(a) 为采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换
,其功率不能超过5 MW。而且,由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养,并容易出
,目前已不再选择这种调速方法。为解决上述问题,近年来永磁电机得到发展,但因其功率更
,只能用在小功率的船上。
图中(b) 为采用晶闸管整流桥反并联方式的循环变流器(交—交变频器) 供电的交流调速系
,可以选择异步电动机或同步电动机作为驱动电机。然
,在船舶电力推进系统的应用中,一般主要选择同步电动机作为驱动电机。这是因为同步电动机的气
,加上发电的同步发电机与拖动的同步电动机的结构相同,在大功率的应用
,循环变流器的低频大功率特性,使采用循环变流器供电的同步电动机调速系统更
,比如需要零速大力矩的破冰船。
图中(c) 为采用同步变流器(交—直—交电流源逆变器) 供电的交流调速系统。由于系统在网
,因此只能选择同步电动机作为拖动电机。这种同步变
,由于其简单可靠,成为除破冰船之外,所有船舶都适用的选择
图中(d) 为采用二极管整流, PWM 逆变的交—直—交变频器供电,异步感应电动机拖动的交
,该方案被公认为无论是系统性能还是经济指标都很好的电力传动控制方式,但却很
PWM 变频器需要可关断器件(比如:BJ T、GTO、
或MCT) 作为功率开关,但目前这些器件与晶闸管相比,电流容量和电压等级较低,如果用于船
,需要将许多开关器件串联或并联起来[10 ] ,不但增加了电路的复杂性,并且使系统的
.3供电方式
,船舶电力推进的电源仍以柴
油发电机组为主,但由于全球石油资源的不断枯竭,因此可以预
50年 将是电力推进船舶不断发展并逐步占据主导地位的重要时期,而且必须采用新能源发
在这方面,燃料电池的研究和开发是当前的研究热
,氢和氧发
,因此,作为一种“清洁能源”被普遍认为很有发展前途。日本已研制和开发
(PAFC) 和碳酸型(MCFC) 燃料电池,其中MCFC 的效率已达到53. 8 %。国外认为,燃料电
(LNG) 船上得到应用。这是因为在LNG 船上,可以通过气化天然气
,并由燃料电池发电。由于燃料电池发出的是直流电,必须通过变流器进行变换后才能得
,因此,采用电力电子技术研究和开发新型DC —DC 变流器和DC —AC 变流器,将是重要的研
,电力电子、变流技术和传动控制系统的进步无疑将在推动船舶电力推进系统的
,主要研究内容及关键技术与陆上其他应用领域电力电子和传动控制需
[11～13 ] 。除此之外,还应解决船舶应用领域中特殊的问题。
新型能源船舶集成动力系统
4 期建设项目的资助下,我们开展了“新型能源船
,着重解决集成供电系统的电源
,并应用于船舶动力系统,建立基于新能源的船舶混合供电系统和电
:
在混合供电系统的研究中,主要研究燃料电池、太阳能利用的实现、控制和管理等技术;电源变
( PFC) 技术等方面;
( PMS) 方面,将在智能优化及安全控制上有所突破。
在船舶电力推进系统的研究中,将研制基于DSP 控制的永磁直流无刷电机调速系统,或交流同
,并应用于船舶电力推进。
研制在船舶条件下使用的新能源集成动力系统和控制系统。目前,需要解决的关键问题是:
变换技术(包括软开关技术、PFC 技术等) ;
变换技术(包括SPWM 技术、DSP控制等) ;
技术(包括电能分配、优化和安全控制等) ;
系统集成技术(包括系统构成、状态监测和控制) ;
能源系统(包括燃料电池系统和太阳能电池系统的安装调试等) ;
船舶电力推进系统及其控制;
试验船舶的建造、安装和试验等。
结论与展望
,一方面正期待着电力
;一方面也为本学科的发展提供了一片可以施展才华的广阔天
,将有助于建立一个先进的新能源供电和电力变换技术的
,为研发新能源供电装置和电力电子变流装置奠定基础;如果建造一艘装备新能源的船舶集成
,可以填补我国在新能源船舶研究方面的空白。
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:2003 - 12 - 04
: 上海市教委重点学科建设项目资助( 沪教委科(2001) 71 号)
:
汤天浩(1955 - ) ,男,江苏宝应人,博士、教授、博导,电力传动与控制研究所所长,上海市教委重点学科“电力电子
, IEEE 高级会员, IFAC 船舶系统技术委员会委员,研究兴趣包括电力电子装置、电力传动系